p (Phys.org) —Os pesquisadores teoricamente demonstraram a menor taxa de transferência de calor, ou condutividade térmica, em qualquer material à base de silício desenvolvido até agora. p O novo material, que é um nanofio de silício policristalino, quebra dois limites:o limite de Casimir e o limite amorfo. O limite de Casimir é uma teoria que descreve a condutividade térmica de nanoestruturas, e quebrá-lo significa que a condutividade térmica do novo material é inferior ao valor previsto pela teoria limite de Casimir. O limite amorfo é considerado a menor condutividade térmica de um material, uma vez que as estruturas amorfas dispersam fortemente os portadores de calor. Contudo, devido ao seu design único em nanoescala, o nanofio de silício policristalino tem uma condutividade térmica três vezes menor do que a dos materiais de silício amorfo.

p Os pesquisadores, Yanguang Zhou e Ming Hu na RWTH Aachen University na Alemanha, publicaram um artigo sobre o nanofio de silício policristalino em uma edição recente da Nano Letras .

p Os pesquisadores esperam que o novo material possa ser especialmente útil para aplicações termoelétricas. Ao converter energia térmica em eletricidade, materiais termoelétricos fornecem uma maneira de capturar parte do calor residual emitido pelos tubos de escape dos veículos, usinas de energia, e instalações de manufatura, e então converter o calor em energia útil.

p Em geral, bons materiais termoelétricos são aqueles que apresentam simultaneamente alta condutividade eletrônica e baixa condutividade térmica. Juntos, essas duas propriedades levam a uma alta eficiência geral de conversão de calor em eletricidade. No novo estudo, os pesquisadores se concentraram em diminuir a condutividade térmica enquanto mantinham a já alta condutividade eletrônica dos materiais de silício.

p "Nesse artigo, relatamos uma nova estrutura, nanofio policristalino, que pode reduzir a condutividade térmica a um valor baixo recorde, apenas um terço de sua contraparte amorfa, "Zhou disse Phys.org . "Se mantivermos a condutividade elétrica e o coeficiente de Seebeck como constantes, que pode ser conseguido por dopagem do material, a eficiência do nanofio policristalino para converter calor em eletricidade pode ser aumentada em 277 vezes em relação ao seu equivalente em massa. "

p A chave para a baixa condutividade térmica do novo nanofio de silício é sua forma policristalina, que consiste em muitas estruturas cristalinas de formas e tamanhos variados em orientações aleatórias. Com base no tamanho médio de grão (cerca de 3 nm) nos nanofios de silício policristalino, o limite de Casimir prevê que a condutividade térmica não pode ser inferior a aproximadamente 3 W / mK. Mas as simulações dos pesquisadores mostram que os nanofios de silício policristalino têm uma condutividade térmica de apenas 0,7 W / mK. Para comparação, este valor é 269 vezes menor do que o do silício a granel, 77 vezes menor do que os nanofios de silício puro, e três vezes menor do que os nanofios de silício amorfo.

p Os pesquisadores explicam que uma característica importante da estrutura policristalina é que os limites dos grãos entre os cristais são descontínuos. Como resultado, os limites dos grãos bloqueiam e dispersam os fônons transportadores de calor, de modo que os fônons não podem se mover muito longe (apenas cerca de 1 nm) através do material em comparação com o quão longe eles podem se mover em outros materiais de silício (até 1 µm), em que os limites de grão formam uma rede contínua.

p Os resultados aqui levantam a questão de qual pode ser a menor condutividade térmica possível para nanofios de silício de qualquer forma. Em geral, existem dois tipos de vibrações que contribuem para a condutividade térmica:propagões e difusões. Os pesquisadores esperam que seja possível eliminar completamente a contribuição dos propagons incorporando desordem na forma de estruturas nanotwinned aos nanofios de silício policristalino para minimizar seu transporte. Difusões, por outro lado, são causados ​​pela desordem estrutural inerente de um material, então eles não podem ser reduzidos desta forma. No entanto, eliminando a contribuição de propagons, os pesquisadores esperam que a condutividade térmica dos nanofios de silício policristalino possa ser reduzida ainda mais em 20%. Os pesquisadores planejam perseguir esse objetivo em trabalhos futuros. p © 2016 Phys.org